CN117724116A - 一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 - Google Patents
一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117724116A CN117724116A CN202410173162.9A CN202410173162A CN117724116A CN 117724116 A CN117724116 A CN 117724116A CN 202410173162 A CN202410173162 A CN 202410173162A CN 117724116 A CN117724116 A CN 117724116A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wind
- laser
- radar
- angle
- finding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000012937 correction Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000004599 local-density approximation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
本发明旨在提供一种修正效果好、能精确调校激光束指向的非调水平地基式激光测风雷达修正方法。本发明方法包括以下步骤：a.获取激光测风雷达波束的径向风速：将地基激光测风雷达固定放置在设定的地面上，并获得激光测风雷达的径向风速；b.获取雷达的姿态信息：通过电子罗盘测量获得地基式激光测风雷达的三个姿态角度，包括北向角、纵倾角和横倾角；c.基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵，建立测风修正模型，对波束指向进行修正；d.结合激光波束修正后的角度和径向风速，利用最小二乘法计算所在空域的三维风场分布。本发明应用于激光雷达技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法。
背景技术
地基式激光测风雷达放置在地面上以固定的仰角通过扫描不同方位获得对应的径向风速，结合脉冲光束指向的角度信息对水平风场、垂直气流数据进行反演，光束的指向精度决定了激光测风雷达测量风速风向的精度。在野外对风资源进行测量的环境中，激光测风雷达实际的装调过程中由于地面不平，难以快速实现雷达整机的水平设置，因而需要对激光束指向进行标校来精确反演风场。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种修正效果好、能精确调校激光束指向的非调水平地基式激光测风雷达修正方法。
本发明所采用的技术方案是，本发明方法包括以下步骤：
a. 获取激光测风雷达波束的径向风速：将地基激光测风雷达固定放置在设定的地面上，并获得激光测风雷达的径向风速，设定，风向以远离激光测风雷达为正，靠近激光测风雷达为负；
b. 获取雷达的姿态信息：通过电子罗盘测量获得地基式激光测风雷达的三个姿态角度，包括北向角、纵倾角/>和横倾角/>；
c. 基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵，建立测风修正模型，对波束指向进行修正；
d. 结合激光波束修正后的角度和径向风速，利用最小二乘法计算所在空域的三维风场分布。
进一步地，所述步骤c中，对于存在高度差的不同激光波束，对径向风速进行插值计算，利用插值计算后的径向风速对建立的三维旋转矩阵进行修正，以消除高度差带来的影响。
进一步地，所述步骤c中，基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵的步骤为：设在地理坐标系内发射激光光束的方向为，
（1）
其中是激光光束在地基雷达坐标系下的单位向量，xg、yg、zg分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的坐标；/>、/>、/>分别是北向角/>、纵倾角/>、横倾角/>的旋转矩阵；其中，
（2）
当四个波束都正常工作时，风速单位矢量为
（3）
其中=1、2、3、4；/>为方位角，/>为俯仰角；
将公式（2）和公式（3）回代公式（1），得到xg、yg、zg；
通过以下公式计算得到激光光束新的方位角和俯仰角分别为：
（4）；
当四波束正常工作时，可计算得到新的激光测速径向风速：
（5）；
其中，为方位角，/>为俯仰角。
对公式（5）进行简化，令公式（5）为
（6）
则
（7）
其中
（8）
（9）
（10）
为矩阵/>的转置矩阵，/>为矩阵/>的逆矩阵，其中，v、u、w分别表示分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
当只有三个激光波束正常工作时，通过选择对应正常工作的波束，经过坐标变换后计算三维风场：
（11）
最后，得到水平风的风速为：
（12）
按照风向的定义为风的来向，可以计算风向为：
（13）；
其中，v、u、w分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
本发明的有益效果是：本发明方法中，通过建立角度偏差修正模型，从而实现对风场反演的修正；配合光束四波束扫描系统沿激光束方向的径向速度，结合雷达的姿态信息，应用测风修正模型，反演获得雷达所在空域完整的三维风场分布；精确地调校激光束指向，其修正效果好。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图；
图2是地基式激光测风雷达四波束的指向示意图；
图3是当纵倾角和横倾角均为10°时，四波束的高度与径向距离之间的关系示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明方法包括以下步骤，
a. 获取激光测风雷达波束的径向风速：将地基激光测风雷达固定放置在设定的地面上，并获得激光测风雷达的径向风速，设定，风向以远离激光测风雷达为正，靠近激光测风雷达为负；
b. 获取雷达的姿态信息：通过电子罗盘测量获得地基式激光测风雷达的三个姿态角度，包括北向角、纵倾角/>和横倾角/>；
c. 基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵，建立测风修正模型，对波束指向进行修正；
d. 结合激光波束修正后的角度和径向风速，利用最小二乘法计算所在空域的三维风场分布。
具体地，所述步骤c中，基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵的步骤为：设在地理坐标系内发射激光光束的方向为，
（1）
其中是激光光束在地基雷达坐标系下的单位向量，xg、yg、zg分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的坐标；/>、/>、/>分别是北向角/>、纵倾角/>、横倾角/>的旋转矩阵；其中，
（2）
当四个波束都正常工作时，风速单位矢量为
（3）
其中=1、2、3、4；/>为方位角，/>为俯仰角；
将公式（2）和公式（3）回代公式（1），得到xg、yg、zg；
通过以下公式计算得到激光光束新的方位角和俯仰角分别为：
（4）；
当四波束正常工作时，可计算得到新的激光测速径向风速：
（5）；
其中，为方位角，/>为俯仰角。
对公式（5）进行简化，令公式（5）为
（6）
则
（7）
其中
（8）
（9）
（10）
为矩阵/>的转置矩阵，/>为矩阵/>的逆矩阵，其中，v、u、w分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
当只有三个激光波束正常工作时，通过选择对应正常工作的波束，经过坐标变换后计算三维风场：
（11）
最后，得到水平风的风速为：
（12）
按照风向的定义为风的来向，可以计算风向为：
（13）；
其中，v、u、w分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
此外，还需要考虑存在纵倾角和横倾角时，不同距离门的径向风速的测量对应的高度层会存在一定的差异，因此需要对高度层进行校准和修正。当设备的距离门设置为30m时，此时利用每一层30m内的测量数据进行谱分析。当设备的盲区为30m时，两个波束之间的高度分布在30，60，90，120，150，180，210，240，270，300，330，360，390m。当纵倾角和横倾角都为10°时，对应390m处的四个波束距离分别为350.47、317.21、353.51和386.77m，分别对应3个不同的距离层，因此需要做一些修正，使反演风场在同一高度层，对应不同距离门内的测量高度如图2所示。
风场反演时，需要假设风场在小范围内是均匀分布的，因此所用到风场反演的四波束高度层是必须一致或者接近。在近地层中，由于地面的粗糙度和近地层的大气垂直稳定度的因素，风速随高度的变化而有显著的变化。故对于存在高度差的不同激光波束，对径向风速进行拉格朗日插值计算，利用插值计算后的径向风速对建立的三维旋转矩阵进行修正，以消除高度差带来的影响。风切变指数表示风速在垂直于风向平面内的变化，其大小反映风速随高度增加的快慢，其计算公式为：
（14）
式中：为风切变指数；/>为已知高度，该处风速为/>，/>为变化后的高度，对应风速为/>。
假设风切变指数取1/7，风速为8m/s，高度为100m，设置风速差异小于0.1m/s，对应的高度差小于4m，才能被用来进行风场反演计算。高度差阈值选取条件，根据风切变指数可以做估计。
当水平风速为16m/s时，此时不同高度层的水平风速的差异会更大。此时需要对应不同高度的数据通过拉格朗日插值函数获取对应不同高度层的径向风速后再进行风场反演。
在步骤d中，利用最小二乘法计算所在空域的三维风场分布的具体步骤为：先获取四个波束的指向，使用旋转矩阵计算得到四波束在大地坐标系下的真实指向，结合四波束径向风速使用最小二乘法计算得到u，v和w的值，计算步骤见式（7）。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改（如激光雷达波束的数量，波束的指向角），凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
a. 获取激光测风雷达波束的径向风速：将地基激光测风雷达固定放置在设定的地面上，并获得激光测风雷达的径向风速，设定，风向以远离激光测风雷达为正，靠近激光测风雷达为负；
b. 获取雷达的姿态信息：通过电子罗盘测量获得地基式激光测风雷达的三个姿态角度，包括北向角、纵倾角/>和横倾角/>；
c. 基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵，建立测风修正模型，对波束指向进行修正；
d. 结合激光波束修正后的角度和径向风速，利用最小二乘法计算所在空域的三维风场分布；
其中，所述步骤c中，对于存在高度差的不同激光波束，对径向风速进行插值计算，利用插值计算后的径向风速对建立的三维旋转矩阵进行修正，以消除高度差带来的影响；
基于激光测风雷达波束建立三维旋转矩阵的步骤为：设在地理坐标系内发射激光光束的方向为，
（1）
其中是激光光束在地基雷达坐标系下的单位向量，xg、yg、zg分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的坐标；/>、/>、/>分别是北向角/>、纵倾角/>、横倾角/>的旋转矩阵；其中，
（2）
当四个波束都正常工作时，风速单位矢量为
（3）
其中=1、2、3、4；/>为方位角，/>为俯仰角；
将公式（2）和公式（3）回代公式（1），得到xg、yg、zg；
通过以下公式计算得到激光光束新的方位角和俯仰角分别为：
（4）；
当四波束正常工作时，可计算得到新的激光测速径向风速：
（5）；
其中，为方位角，/>为俯仰角。
2. 根据权利要求1所述的一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法，其特征在于，对公式（5）进行简化，令公式（5）为
（6）
则
（7）
其中
（8）
（9）
（10）
为矩阵/>的转置矩阵，/>为矩阵/>的逆矩阵，其中，v、u、w分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
3. 根据权利要求1所述的一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法，其特征在于，当只有三个激光波束正常工作时，通过选择对应正常工作的波束，经过坐标变换后计算三维风场：
（11）
最后，得到水平风的风速为：
（12）
按照风向的定义为风的来向，可以计算风向为：
（13）；
其中，v、u、w分别表示东北天坐标系下北向、东向和垂直当地水平面的风速。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410173162.9A CN117724116B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410173162.9A CN117724116B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117724116A true CN117724116A (zh) | 2024-03-19 |
| CN117724116B CN117724116B (zh) | 2024-04-12 |
Family
ID=90207299
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410173162.9A Active CN117724116B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117724116B (zh) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003222674A (ja) * | 2002-01-31 | 2003-08-08 | Mitsubishi Electric Corp | 風速ベクトル計測装置および風速ベクトル算出方法 |
| US20140300888A1 (en) * | 2011-11-29 | 2014-10-09 | Flidar | Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement |
| CN106199605A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 西南技术物理研究所 | 风场误差修正方法 |
| US20180299558A1 (en) * | 2015-10-23 | 2018-10-18 | Mitsubishi Electric Corporation | Wind measuring apparatus |
| US20210172421A1 (en) * | 2017-06-02 | 2021-06-10 | Beijing Goldwind Science & Creation Windpower Equipment Co., Ltd. | Correction method and apparatus for predicted wind speed of wind farm |
| CN113311436A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-27 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法 |
| CN114994708A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-02 | 青岛镭测创芯科技有限公司 | 风速反演方法、装置、设备及介质 |
| CN116148886A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-05-23 | 西南技术物理研究所 | 一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法 |
| CN117233768A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-15 | 广州市突发事件预警信息发布中心 | 基于风廓线雷达的三维风场构建方法、系统及存储介质 |
| CN117420570A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 南京牧镭激光科技股份有限公司 | 一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质 |
-
2024
- 2024-02-07 CN CN202410173162.9A patent/CN117724116B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003222674A (ja) * | 2002-01-31 | 2003-08-08 | Mitsubishi Electric Corp | 風速ベクトル計測装置および風速ベクトル算出方法 |
| US20140300888A1 (en) * | 2011-11-29 | 2014-10-09 | Flidar | Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement |
| US20180299558A1 (en) * | 2015-10-23 | 2018-10-18 | Mitsubishi Electric Corporation | Wind measuring apparatus |
| CN106199605A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 西南技术物理研究所 | 风场误差修正方法 |
| US20210172421A1 (en) * | 2017-06-02 | 2021-06-10 | Beijing Goldwind Science & Creation Windpower Equipment Co., Ltd. | Correction method and apparatus for predicted wind speed of wind farm |
| CN113311436A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-27 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法 |
| CN114994708A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-02 | 青岛镭测创芯科技有限公司 | 风速反演方法、装置、设备及介质 |
| CN116148886A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-05-23 | 西南技术物理研究所 | 一种基于浮标激光雷达的高精度风场反演算法 |
| CN117233768A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-12-15 | 广州市突发事件预警信息发布中心 | 基于风廓线雷达的三维风场构建方法、系统及存储介质 |
| CN117420570A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 南京牧镭激光科技股份有限公司 | 一种激光雷达姿态补偿测风方法、设备以及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117724116B (zh) | 2024-04-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110308746B (zh) | 一种适用于三轴转台式测控天线的星体标校方法 | |
| CN110220491B (zh) | 一种无人机的光学吊舱安装误差角估算方法 | |
| CN110646782B (zh) | 一种基于波形匹配的星载激光在轨指向检校方法 | |
| CN106199605A (zh) | 风场误差修正方法 | |
| CN108225185A (zh) | 一种车载扫描系统检校方法 | |
| CN112904317B (zh) | 一种多激光雷达与gnss_ins系统标定方法 | |
| CN109033592A (zh) | 一种异形饰面板的bim放样方法 | |
| CN101114022A (zh) | 无姿态信息条件下的航空多光谱扫描仪几何粗校正方法 | |
| CN111624623B (zh) | 基于激光雷达非均匀扫描的风场反演方法 | |
| CN107179533A (zh) | 一种多参数机载LiDAR系统误差自动检校方法 | |
| CN108151698A (zh) | 一种基于轴线相交法的天线旋转中心标校方法 | |
| CN115436906B (zh) | 一种提升雷达探测目标位置及风场反演信息准确性的方法 | |
| CN106872962B (zh) | 一种用于星载激光测高仪检校的地面探测器的布设方法 | |
| CN108168504A (zh) | 一种基于拟合球心法的天线旋转中心标校方法 | |
| CN110081905A (zh) | 一种基于单站光电经纬仪的光波大气折射误差计算方法 | |
| CN111273282B (zh) | 一种无人机机载雷达地面扫描覆盖区域计算方法 | |
| CN113295049A (zh) | 一种运载火箭瞄准方法及装置 | |
| CN111025243A (zh) | 一种基于参数优化的大气折射误差实时修正方法 | |
| CN106546766B (zh) | 基于两部测风激光雷达的倾斜平面扫描方法 | |
| Li et al. | A Study on Measuring the Wind Field in the Air Using a multi-rotor UAV Mounted with an Anemometer | |
| CN109708667B (zh) | 一种基于激光陀螺的双动态目标跟踪引导方法 | |
| CN109855652B (zh) | 星载激光测高仪指向角误差为非常数时的在轨标定方法 | |
| CN117724116B (zh) | 一种非调水平地基式激光测风雷达修正方法 | |
| CN114184172A (zh) | 一种低空航测像控点布设方法 | |
| CN110440753B (zh) | 考虑地球曲率的高精度dem航空重力远区地形改正方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |